基于STC89C51單片機的電子琴設(shè)計

摘要：介紹了一種基于STC89C5l單片機的電子琴的電路設(shè)計方法。該方法利用單片機定時器來產(chǎn)生固定頻率的方波信號以推動喇叭發(fā)出旋律。并使用LCD顯示器來顯示音階輸入的相關(guān)消息，然后通過按下鍵盤組中的相對按鍵使喇叭發(fā)出相對音階單音，并自動存儲所輸入的單音，之后再一起自動演奏出來，從而實現(xiàn)具有存儲功能的電子琴系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：STC89C51；LCD；4x4鍵盤；定時器；電子琴

0 引言
    隨著計算機在社會各領(lǐng)域的滲透，單片機的應(yīng)用正在不斷地走向深入，同時帶動著工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、家電以及玩具的日新月異更新，極大地提高了電子電路及系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量和效率。本設(shè)計是以主控芯片STC89C5l為中心器件，輔以小鍵盤、LCD顯示和功放電路及揚聲器等來設(shè)計電子琴系統(tǒng)。同時詳細論述了該系統(tǒng)的設(shè)計過程及關(guān)鍵技術(shù)。

1 系統(tǒng)硬件組成
    電子琴的控制電路分為單片機STC89C51、工作指示LED、LCD顯示器、按鍵輸入、喇叭接口等幾部分。其硬件電路結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 單片機STC89C51簡介
    STC單片機是一款增強型5l單片機，完全兼容MCS-51。STC89C51可以代替AT89C51，而且功能更強，速度更快，壽命更長，價格更低。該單片機具有40個引腳，采用雙列直插DIP-40封裝。STC89C51可以完成ISP在線編程功能，而AT89C51則不能。因此，將AT89C51中的程序直接燒錄到STC89C51中后，STC89C5l就可以代替AT89C51直接工作。STC推出的系列51單片機芯片全面兼容其它51單片機。STC89C51內(nèi)部有E2PROM，可以在程序中修改，而且斷電不丟失數(shù)據(jù)。此外，還增加了兩級中斷優(yōu)先級等等，STC89系列單片機的基本特性如圖2所示。

    通常電子琴所輸入的音階值都先存入變量數(shù)組中，演奏時才逐一取出來播放單音。程序中的變量使用的是內(nèi)部存儲器RAM，范圍為空間30H～7FH，因此，其程序內(nèi)存規(guī)劃是：RAM地址30H～70H存放音階值，最大內(nèi)存空間為64字節(jié)；RAM地址71H～7FH存放程序其他變量。程序執(zhí)行后，工作指示LED閃動，表示程序開始執(zhí)行。當(dāng)按下鍵盤組中的相對按鍵時，壓電喇叭會發(fā)出相對音階單音，全系統(tǒng)共有2個8度音階，DO～SI，HI DO～HI SI，14個音階，所輸入的單音會存入89C5l內(nèi)，至多可以輸入64個單音，并可以一起演奏出來，同時還有清除存儲功能，可將原數(shù)據(jù)清除后再重新輸入。
1．2 LCD硬件接口
    本設(shè)計所用LCD的引腳如圖3所示，其中，DO～D7為雙向數(shù)據(jù)總線，LCD數(shù)據(jù)讀寫方式可以分為8位及4位兩種。若以8位數(shù)據(jù)進行讀寫，則DO～D7皆有效，若以4位方式進行讀寫，則只用到D7～D4。RS為寄存器選擇控制線，當(dāng)RS為O且做寫入操作時，可以寫指令寄存器；若RS為l，則用于讀寫數(shù)據(jù)寄存器。P／W為LCD讀寫控制線，R／W為0，LCD執(zhí)行寫作，R／W為1時，則做讀操作。VO為亮度調(diào)整電壓輸入控制引腳，輸入0V時，字符顯示最亮。

    LCD可以實時顯示目前演奏的單音碼，可以實時顯示所存儲的單音計數(shù)。按鍵9是清除鍵，可將存儲的單音計數(shù)清0；按鍵8是放音鍵，可將內(nèi)存中的單音逐一演奏出來，演奏中可以按K4鍵來中斷。本設(shè)計使用一般的LCD顯示器來顯示音樂演奏的消息及單音碼。按下鍵盤組按鍵，喇叭就會發(fā)出相對音階。將這些音階存儲起來然后放音，就可成為自動演奏電子琴。
1．3 鍵盤掃描
    整個4x4鍵盤按鍵的分配及配置原理圖如圖4所示。圖4中為16鍵的控制電路，使用AT89S51端口2的8條I／O線做16個按鍵的鍵盤掃描，并由P2．0～P2．3送出掃描信號，而由P2．4～P2．7讀取按鍵數(shù)據(jù)返回碼。表l所列是4x4按鍵與音階的對應(yīng)表。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    由于本系統(tǒng)可以產(chǎn)生各種頻率的聲音，所以可由喇叭發(fā)出“DO”、“RE”、“ME”……的音階。系統(tǒng)中的定時器O工作于模式0，計時時長可根據(jù)所發(fā)音的頻率而定，表2所列是各個音符所對應(yīng)的頻率值。而由頻率值推得的定時器計數(shù)初值。則可由以下關(guān)系式求得：

式中，f為頻率值；t為方波的寬度，以μs表示；co為定時器所計數(shù)的次數(shù)，lo為計數(shù)初值的低字節(jié)，hi為計數(shù)初值的高字節(jié)。圖5所示為主程序的工作流程。

3 結(jié)束語
    本文中所設(shè)計的具有存儲功能的電子琴是由STC89C51單片機、小鍵盤、LCD以及音頻功放電路和揚聲器組成的。利用該電子琴電路。用戶可以自由地輸入音符，從而使揚聲器發(fā)出悅耳的音樂。此外，通過改變按鍵式電子琴的控制程序，也可以設(shè)計不同類型的電子琴。還可以通過擴展RAM的方法增加內(nèi)存容量，從而更大地發(fā)揮電子琴的存儲功能。